Contribution à l`intégration d`un isolateur optique sur verre

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Optique et radiofréquences
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
François PARSY
Thèse dirigée par Jean-Emmanuel BROQUIN
et codirigée par Elise GHIBAUDO
préparée au sein de l’Institut de Microélectronique,
Electromagnétisme et Photonique – LAboratoire
d’Hyperfréquences et Caractérisation
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique,
Automatisme et Traitement du Signal
Contribution à l’intégration d’un
isolateur optique sur verre :
Fonctions réciproques et
non réciproques de contrôle
de la polarisation
Thèse soutenue publiquement le
2 décembre 2013
devant le jury composé de :
Pr. Anne VILCOT
Professeur des Universités à l’INPG, Grenoble, Président
Pr. Béatrice DAGENS
Directeur de Recherche à l’Université Paris-Sud, Paris, Rapporteur
Dr. Régis OROBTCHOUK
Maître de Conférences à l’INSA, Lyon, Rapporteur
Dr. François ROYER
Maître de Conférences à l’Université Jean Monet, Saint Etienne, Examinateur
Dr. Elise GHIBAUDO
Maître de Conférences à l’Université Joseph Fourier, Grenoble, Directrice de thèse
Pr. Jean-Emmanuel BROQUIN
Professeur des Universités à l’INPG, Grenoble, Directeur de thèse

Je remercie tout d’abord Gérard Ghibaudo de m’avoir accueilli au sein du laboratoire IMEP-LaHC et
de m’avoir permis de travailler dans de bonnes conditions matérielles.
Ensuite, je tiens à remercier les personnes qui ont accepté de faire partie de mon jury de soutenance.
Ainsi, je remercie Mme Béatrice Dagens de l’université Paris-Sud et M Régis Orobtchouk de l’INSA
de Lyon pour avoir accepté le rôle difficile de rapporteurs. Je les remercie également pour leurs
questions stimulantes lors de la soutenance. Je remercie tout particulièrement Mme Anne Vilcot de
m’avoir fait l’honneur d’accepter de présider ce jury. Je lui suis également reconnaissant de m’avoir
donné l’occasion de dispenser les TD d’électromagnétisme et de l’aide précieuse pour la rédaction du
dossier de qualifications.
Elise bien sûr, pour les coups de fil pendant tes congés mat’, pour les rendez-vous du weekend dans
les moments de rush, pour les répèts du samedi matin mais aussi pour le travail quotidien qui n’a pas
dû être pas évident avec une tête de mule comme moi, merci. J’ai beaucoup appris de ton encadrement,
tant au niveau humain qu’au niveau scientifique. Manu, pour ta pertinence scientifique et ton habilité
politique, pour ta protection sans faille des doctorants, pour nos longues discutions technico-
philosophiques et pour le pied gauche de Ribéry, merci.
Merci à François et Damien, les collaborateurs de St Etienne. Merci pour le café en arrivant, merci
pour le temps passé sur les manips, les discutions pas toujours sérieuses et toutes les corrections.
Evidemment, merci pour le super boulot de ces trois années et les résultats qui ont suivi. Je suis certain
que cette collaboration continuera à bien fonctionner grâce à vous.
Je remercie Greg, le grand maître des salles de manip’ pour sa présence et son efficacité. Toujours prêt
à donner un coup de main. Tu nous charries pas mal mais c’est toujours pour notre bien, et on le sait.
Aude, très impressionnante par sa capacité à tout gérer, vraiment, tout. Merci pour les machines qui
fonctionnent quand on en a besoin, merci pour tes conseils en techno et le calme que tu sais apporter
dans les moments de stress. Sans vous deux, il n’y aurait pas grand-chose d’autre que des simus dans
nos manuscrits.
Je remercie vivement le personnel administratif du laboratoire : Anne et Chahla, Valérie, Annaïck et
Dalhila et depuis peu Joëlle et Isabelle. Vous réussissez à être réactives et arrangeantes dans ces
structures plutôt contraignantes, vous assurez ! Travailler avec vous a été un plaisir.
Je tiens à remercier également les personnes qui m’ont accepté dans leurs équipes d’enseignement :
Anne, Nathalie, Julien et Davide, ainsi que tous les collègues avec qui j’ai travaillé à ces occasions.

Merci à tous les co-bureaux qui m’ont supporté aux cours de ces trois années (dans les deux sens du
terme). Merci à Abderazak, Markus et Tapas. Merci à Fred pour me faire réviser régulièrement mon
allemand. Merci à Hana pour tous les bons moments passés ensemble, les plus difficiles s’oublieront
avec le temps. Merci à Carlos et Lucca pour les parties de foot à la nuit tombante. Merci à Mehdouch
pour sa bonne humeur, ses petits gâteaux et son courage. Tout le monde n’ose pas affirmer ainsi aimer
le nouveau Twilight. Merci à Jérôme pour les randos, les innombrables tasses de thé et les parties de
bad. Vous gérez tous les deux, difficile de dire qui deviendra chef du bureau… Finalement, merci à
Elsa pour ces trois années de thèse, 45° à gauche. Merci d’avoir partagé tes expériences, tes doutes et
ton enthousiasme.
Je remercie pêle-mêle tous les collègues de l’IMEP-LaHC qui ont rendu cette période agréable à
travers les discutions dans les couloirs ou en salle café : Vincent, Flora, Eva, Chuan-Lun, Xavier,
Antoine, Nicolas et Quentin ; mais plus particulièrement les membres du groupe PHOTO : Guy,
Marco, Bertrand, Armin, Thomas, Lionel, Davide, Sandie, Gerardo, Fabien et maintenant Elodie. Ce
sont les interactions avec vous qui ont fait de ma thèse une expérience extraordinaire.
Je profite également de ces pages pour remercier mes anciens collègues et amis qui ont su me donner
goût à la recherche : Laura et Chaitanya en premier lieu, puis Chris et Jon, mais aussi Yu-Ting, Renee,
Kevin et Paul.
Merci à tous mes amis pour le temps passé avec eux hors du labo. Ces moments font intégralement
partie de la thèse, même dans les périodes difficiles. Surtout dans les périodes difficiles. Merci à ma
famille pour m’avoir encouragé et soutenu pendant ces longues années d’études. Je le sais bien, tout a
commencé par des exercices sur des baignoires qui fuient et des jardins à tondre.
Finalement, merci à toi, ma petite Elsouch, pour avoir traversé cette épreuve à mes côtés. Il est
difficile d’imaginer ce qu’aurait pu être la thèse sans toi et ton soutien. On en a vu tous les deux ces
dernières années, et je suis certain qu’on en verra d’autres.

Contribution à l’intégration d’un isolateur optique sur verre :
Fonctions réciproques et non réciproques de contrôle de la polarisation
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Depuis la création du premier laser en 1960 par Theodore Maiman [1], la communauté scientifique
dispose d’une source de lumière cohérente et monochromatique. Celle-ci a permis l’essor de
nombreuses applications telles que l’interférométrie et les télécommunications optiques.
Afin d’exploiter au maximum les avantages de cette source lumineuse, il est nécessaire d’améliorer sa
stabilité en l’isolant du milieu extérieur aux niveaux thermique, phonique et électromagnétique.
L’isolateur optique intervient dans cette dernière catégorie, il protège la cavité résonnante contre les
réflexions parasites sur les éléments extérieurs au laser. Pour ce faire, les isolateurs actuels exploitent
la non-réciprocité des effets magnéto-optiques pour ne laisser passer la lumière que dans un sens.
Dans les isolateurs en volume, les effets magnéto-optiques sont générés dans des grenats de fer-
yttrium (YIG) massifs. Ceux-ci présentent d’excellentes caractéristiques puisqu’ils induisent des non-
réciprocités importantes et peu de pertes de propagation. Cependant, comme tous les composants de
volume, ces isolateurs sont peu stables mécaniquement et requièrent un alignement précis. De plus,
leurs taille et poids les rendent peu adaptés à une utilisation industrielle. L’optique intégrée apporte
une solution à ces problèmes en intégrant les composants optiques de façon monolithique. Malgré les
efforts technologiques fournis, la fonction d’isolation n’a pas encore été intégrée de façon satisfaisante
en raison des difficultés de dépôt des matériaux magnéto-optiques. En effet, la fabrication de cristaux
de YIG requiert des températures de recuit de l’ordre de 800 °C incompatibles avec le dépôt sur un
substrat. Le travail que nous présentons dans ce document a pour but de surmonter ces difficultés,
mais aussi de réaliser l’ensemble des fonctions passives nécessaires à la réalisation d’un isolateur
optique.
Ce travail a été mené au sein de l’équipe Photonique Térahertz et Optoélectronique de l’Institut de
Microélectronique, Electromagnétique et Photonique – Laboratoire d’Hyperfréquences et
Caractérisation (IMEP-LaHC) de Grenoble. Il se situe dans le cadre d’une collaboration avec l’équipe
de François Royer et Damien Jamon du Laboratoire Télécom Claude Chappe (LT2C) de Saint Etienne
pour la partie magnéto-optique. Ce partenariat a débuté en 2008 dans le cadre du projet CIBLE financé
par la région Rhône-Alpes. Il avait alors pour but la fabrication d’un convertisseur de mode magnéto-
optique hybride sur des guides d’ondes réalisés par échange d’ions. Il se poursuit aujourd’hui avec ce
projet d’isolation optique financé par un contrat CLUSTER de la région Rhône-Alpes également.